一件 T 恤解决充电难题,Nature 子刊新研究:用人体当发电机

智东西 2021/3/11 6:46:32 责编:懒猫

一件T恤解决充电难题?Nature子刊新研究:用人体当发电机

3 月 9 日,一篇《自然 · 通讯》上的论文介绍了可以存储人体能量的 “可穿戴微电网”。如果人们穿戴了这种设备,运动产生的动能与汗液都可以转化为电能为小型电子设备供电

该论文由加州大学圣迭戈分校(UC San Diego)的研究人员完成,他们集成了生物燃料电池、摩擦发电机和超级电容三种设备,借此从佩戴者的运动中收集能量。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-21701-7

一、生物电池、发电机、电容三部分联网供电

该技术的灵感来自于城市微电网,纳米工程博士、文章一作 Lu Yin 称,如同城市微电网集成了风能、太阳能等本地再生能源一样,可穿戴微电网集成了从人体不同部位收集能量的设备,存储运动时产生的能量并向小型电子设备供电。

根据论文,它由三个主要部分组成:汗水驱动的生物燃料电池,运动驱动的摩擦发电机和储能用的超级电容。所有部件都比较柔软,可以用水清洗,并且通过丝网印刷的方式印在了衬衫上。

▲生物燃料电池(来源:UC San Diego)

摩擦发电机则位于人体的前臂外侧和躯干两侧靠近腰部的位置,将运动中的能量转换成电能。

▲摩擦发电机(来源:UC San Diego)

胸部衬衫上方的超级电容会暂时存储两个设备收集到的电能,以此为小型电子设备供电。

▲超级电容(来源:UC San Diego)

这项研究并不容易,加州大学圣迭戈分校纳米生物工程学教授 Joseph Wang 在 2013 年,发表了关生物燃料电池通过汗液中,乳酸和氧分子交换电子从而产生电能的论文。

后来 Joseph Wang 团队对生物燃料电池和摩擦发电机进行整合,才研发出可穿戴微电网。

二、高效集成实现 30 分钟不间断供电

Lu Yin 说,这项工作的主要创新内容不是两个设备本身,而是将所有设备系统集成在一起。

他强调,研究团队并非将 A 和 B 加在一起称为系统,其选择的零件都具备互相兼容的外形尺寸、匹配的性能和互补的功能,各种设备的集成十分完美。

可穿戴微电网借助生物燃料电池和摩擦发电机设备的特性,能够快速、连续地为设备供电:当佩戴者运动时,摩擦发电机立刻运转提供电力;流汗时,生物燃料电池便开始提供电力,并在佩戴者结束运动后持续供电。

两个设备的共同协作实现了快速启动与持续供电的结合。

研究团队对可穿戴微电网进行了测试,佩戴者骑自行车或跑步运动 10 分钟,然后休息 20 分钟。在 30 分钟的测试过程中,可穿戴微电网可以全程满足 LCD 手表或小型电致变色显示器(一种响应电压改变而变色的显示器)的供电需求。

根据实验,整个系统的启动速度比仅具有生物燃料电池的速度快 2 倍,使用寿命比仅具有摩擦发电机的寿命长 3 倍。

可穿戴微电网的各类部件通过柔性材料连接,印在衬衫上并覆盖有防水涂层。

Lu Yin 称,只要不使用清洁剂,可穿戴微电网不会受到反复弯曲、折叠、弄皱或在水中清洗的影响。

论文中的可穿戴微型电网需要佩戴者处于运动中,或运动以后才能为小型电子设备供电。

而加州大学圣迭戈分校的研究者并没有局限在这种设计中,他们希望能够为更多不同的场景设计相应的可穿戴微型电网,甚至有一天,可以让佩戴者在办公室中也可以使用这种系统。

结语:穿戴微电网打开充能新方式?

当各种能量收集和存储设备发展迅速时,人们往往忽略了自身的能量损失。加州大学圣迭戈分校的研究人员却没有忽视自身的能量,他们研发了一款仅依靠人类活动就可以运行的能量收集、存储系统。

这种可穿戴微电网的设计理念或许提供了一种新的能量研发思路。躺在床上就可以为各种电子设备充能,这样的场景还是十分诱人的。

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关键词:发电科学

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